1、第四章 串行通信及接口2011/10 東北大學 計算機系統研究所第四章 串行通信及接口4.1 串行通信的基本概念4.2 串行通信標準習 題4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.5 USB接口芯片CH3754.1.1 數字信號的并行傳輸和串行傳輸D0D7STRACK017017CP1CP2CPUOUT XXXH，ALIN AL，XXXHCPU101000114.1 串行通信的基本概念全雙工方式：用不同的通路同時進行發送和接收； 半雙工方式：輸入和輸出使用同一通路，或者發送或者接收。4.1 串行通信的基本概念*全雙工方式和半雙工方式字符同步方式（異步同步方式，起止式同步方式）：以字符為

2、單位進行傳輸，在發送每個字符之前發送一個同步參考信號。位同步方式：發送端對每位數據位都帶有同步信息。可以在發送數據的同時發送同步的時鐘脈沖，也可以通過編碼將數據和時鐘一起發送。4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式字符同步方式（異步同步方式，起止式同步方式）：以字符為單位進行傳輸，在發送每個字符之前發送一個同步參考信號。起始位58個字符奇/偶校驗位停止位4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式間隔起始位*異步通信：兩個字符之間的傳輸間隔是任意的，所以，每個字符的前后都要用一些數據位來做分隔位；接收方和發送方時鐘頻率不必完全一樣，不超過一定允許范圍即可；*同步通

3、信：將許多字符組成一個信息組，這樣字符可以一個接一個傳輸，但是，在每組信息(通常稱為信息幀)的開始要加上同步字符，在沒有信息要傳輸時，要添上空字符，因為同步方式不允許有間隙；一般將同步字符和空字符用同一個代碼。*同步方式和異步方式比較：同步方式的信息有效率高。同步方式需傳輸時鐘信號。4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式發送時鐘：發送端需要用時鐘決定每一位對應的時間長度，叫發送時鐘；接收時鐘：接受端需要用時鐘決定每一位對應的時間長度，叫接收時鐘；上述兩個時鐘的頻率可以是位傳輸率的16、32、64倍，叫波特率因子；波特率：每秒鐘所傳輸的數據位數叫波特率；通用異步通信收發器(UA

4、RT): universal asynchronous receiver and transmitter4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式例、異步傳輸過程：設每個字符對應1個起始位、7個信息位、1個奇偶校驗位和1個停止位，如果波特率為1200bps，那么，每秒鐘能傳輸的最大字符數為1200/10120個。例2 、同步傳輸：用1200bps的波特率工作，用4個同步字符作為信息幀頭部，奇偶校驗，那么，傳輸100個字符所用的時間為8(100+4)/12000.6933s，這就是說，每秒鐘能傳輸的字符數可達到100/0.6933144個。在同樣的傳輸率下，同步傳輸時實際字符傳輸率

5、要比異步傳輸時高。4.1.2 串行通信的同步方式-舉例4.1 串行通信的基本概念位同步方式：發送端對每位數據位都帶有同步信息。可以在發送數據的同時發送同步的時鐘脈沖，也可以通過編碼將數據和時鐘一起發送。017CP1數據017017編碼017時鐘解碼CP4.1 串行通信的基本概念4.1.2 串行通信的同步方式數字數據模擬數據數字傳輸模擬傳輸曼徹斯特/差分編碼調制解調PCM調制解調（頻分復用）4.1 串行通信的基本概念4.1.3 數據編碼技術1 0 1 1 0 0 1 0不歸零制編碼時鐘曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼4.1 串行通信的基本概念4.1.3 數據編碼技術-數字數據的數字編碼數據調幅調頻調

6、相 0 1 0 1 14.1 串行通信的基本概念4.1.3 數據編碼技術-數字數據的模擬編碼技術第四章 串行通信及接口4.1 串行通信標準4.2 串行通信的基本概念習 題4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.5 USB接口芯片CH3754.2.1 RS-232-C接口標準DTE (Data Terminal Equipment) 是數據終端設備，是具有一定的數據處理能力和發送、接收數據能力的設備。DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是數據電路端接設備，它在 DTE 和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負責建立、保持和釋放數據鏈路的

7、連接。 4.2 串行通信標準I4.2 串行通信標準I機械特性：DB25型，25Pin，DTE端為插針，DCE端為插孔。電氣特性：邏輯1輸出為-5V-15V，邏輯0輸出為+5V+ 15V，邏輯1接收為-3V-25V，邏輯0接收為+3V+25V。輸入輸出均需要電平轉換電路（如MC1488/1489）。4.2.1 RS-232-C接口標準4.2 串行通信標準I功能特性：主要引腳的作用，TD/RD為發送/接收數據，DTR/DSR為數據終端準備好/數據設備準備好，RTS/CTS為請求/允許發送，RI/CD為振鈴指示/載波檢測（用于MODEM）。規程特性：DTE置DTR為ON，DCE置DSR為ON（建立連

8、接），DTE要發送數據時置RTS，DCE置CTS，則DTE可通過TD/RD發送/接收數據。結束時拆除連接，即DTE將DTR置OFF，DCE將DSR置OFF（簡化）。4.2.1 RS-232-C接口標準DTE 通過 DCE與通信傳輸線路相連 DTEDCEDCE串行比特傳輸信號線與控制線用戶環境通信環境用戶設施通信設施DTE信號線與控制線用戶設施用戶環境4.2 串行通信標準I4.2.1 RS-232-C接口標準EIA-232/V.24 的信號定義 (1) 保護地(2) 發送數據TxD(3) 接收數據RxD(4) 請求發送RTS(5) 允許發送CTS(6) DCE 就緒DSR(7) 信號地(8) 載

9、波檢測CD(20) DTE 就緒DTR(22) 振鈴指示RIDTEDCE計算機或終端調制解調器4.2 串行通信標準I4.2.1 RS-232-C接口標準兩個 DTE 通過 DCE進行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口調制解調器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/ V.24 接口調制解調器網 絡P42置DTR；TxD發送電話號碼置RI置DTR產生載波；置DSR檢測載波；置CD和DSR；產生載波檢測載波；置CD置RTS置CTSDTE-A發送數據；DTE-B接收數據4.2 串行通信標準I4.2.1 RS-232-C接口標準兩臺計算機利用虛擬調制解調器相連插頭插頭插座插座

10、計算機虛擬調制解調器計算機（1）保護地（2）發送（3）接收（4）請求發送（5）允許發送（6）DCE 就緒（7）信號地（8）載波檢測（20）DTE 就緒（22）振鈴指示（1）保護地（2）發送（3）接收（4）請求發送（5）允許發送（6）DCE 就緒（7）信號地（8）載波檢測（20）DTE 就緒（22）振鈴指示4.2 串行通信標準I4.2.1 RS-232-C接口標準4.2 串行通信標準IIRS-423A：采用非平衡線路，每一路信號均為單端輸出差分輸入，每個方向一個回線，從而使串音干擾減小。輸出電壓為3.6V6V,輸入門限電壓為-0.2V+0.2V。10m以內可達300Kbps。RS-422A：采用

11、平衡線路，每一路信號均為差分輸出差分輸入，每路信號一個回線，抗干擾能力很強。輸出電壓為2V6V,輸入門限電壓為-0.2V+0.2V。10m以內可達10Mbps。RS-232-C：單端輸出單端輸入，功用一個地線，抗干擾能力較差。15M以內21Kbps。電氣特性：4.2.2 RS-449接口標準TDRDTDRDTDRDRS-232-CRS-423ARS-422A在RS-422A的基礎上對發送器和接收器正加了控制信號，保證任何時候只允許一個發送器處于發送狀態。電氣特性：4.2.3 RS-485接口標準TDRDRS-485RD發送控制接收控制接收控制RDTD發送控制TD發送控制接收控制4.2 串行通信

12、標準III特點：即插即用和熱插拔功能（不用重新啟動）；靈活多用（127臺不同種類的設備，如調制解調器、數字相機、掃描儀、彩色打印機等）；直接供電(讀卡器 、攝像頭 、 游戲柄等耗電少的設備可直接由USB接口供電，最大可獲得500mA的電流；傳輸距離在全速傳輸時(使用4芯電纜)連接距離為5m。4.2.4 USB接口標準4.2 串行通信標準IVUSB體系結構：總線主機控制器(由主機系統提供)、控制器驅動程序、USB芯片驅動程序、USB設備及相應的設備驅動程序。4.2.4 USB接口標準PC主機系統HUBHUB.鼠標MODEM.攝像頭打印機.4.2 串行通信標準IVUSB拓撲結構USB總線通信模型：

13、 4.2.4 USB接口標準USB屬于輪詢方式，主機控制端口初始化所有的數據傳輸。應用軟件USB系統軟件驅動管理主控器件外設 串行引擎USB總線接口USB總線接口串行引擎USB設備4.2 串行通信標準IV傳輸方式：控制傳輸方式類似于查詢方式，用來配置和控制主機到USB設備的傳輸方式和類型，適用于設備控制命令、設備狀態查詢及確認命令的傳輸 ；等時傳輸方式適用于可靠性要求不高但對實時性敏感的設備(如麥克風、喇叭、電話等)，以固定的傳輸速率連續的在主機與USB設備之間傳輸數據，出現錯誤時并不理會；中斷傳輸方式適用于數據量小但需要及時處理的設備(如鍵盤、鼠標、操縱桿等 ）；批（Bulk）傳輸方式適用于

14、要求正確無誤傳輸大批量數據的設備(如打印機、 掃描儀、數字相機等 ）。4.2.4 USB接口標準4.2 串行通信標準IVUSB電器連接特性：4.2.4 USB接口標準USB發送器USB接收器VccD+D-GND15kGNDVcc15k1.5k主機/HUB下行口USB設備/HUB上行口GNDVccD+D-GND*:低速設備是將電阻接到D-端上 USB傳輸信號狀態： D+Voh, D-Voh, D+Vol為差分“0”*:低速設備的信號狀態相反4.2 串行通信標準IVUSB數據編碼和解碼：4.2.4 USB接口標準USB使用一種NRZI(不歸零反向碼)編碼方式 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0

15、 1 0 0 1 1 0Idle Data NRZI J K *：為保證準確性，發送設備在在發送一個包時，要進行位插入操作，即在數據流中每6個連續的“1”后插入一個“0”，從而強迫NRZI碼發生變化。*：接收端則對接收的數據進行解碼，即每收到每6個連續的“1” 就刪除后面的“0”，如有7個連續的“1”，則認為出現位插入錯誤，并忽略該數據包（EOP前除外）。4.2 串行通信標準IVUSB總線傳輸協議：4.2.4 USB接口標準USB屬于輪詢方式，主機控制端口初始化所有的數據傳輸。PID（8）ADDR（7）ENDP（4） CRC5（5）PIDCRC5(5)PIDCRC16(16)PIDPIDADD

16、RENDPCRC5Frame Number（11）標記包幀開始包數據包握手包特殊包DATA（01023)（主機）DATA0、DATA1ACK、NAK、STALL4.2 串行通信標準IVUSB主機控制器功能： 4.2.4 USB接口標準狀態處理串行化和反串行化幀產生數據處理協議引擎傳輸差錯控制遠程喚醒根集線器主機系統接口 軟件功能： HCD驅動程序USB總線驅動程序USBD設備驅動程序主機軟件HUB驅動USBDHCD4.2 串行通信標準IV特點： 高速數據傳輸：100M、200M、400M高自由度連接/拓撲結構：最多可連接63臺設備，結點間距離4.5m(可延長至50100m)編碼方式：DSLin

17、k*IEEE 1394：Fire Wire“火線”保證是實時性：支持異步、同步兩種模式，可連接高視頻設備，應用領域可擴展到通信和信息家電 帶電插拔/即插即用4.2 串行通信標準V第四章 串行通信及接口4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.2 串行通信標準習 題4.1 串行通信的基本概念4.5 USB接口芯片CH375D0D7、A0A2、DISTR/DISTR、DOSTR/DOSTR、CS0/CS1/CS2：用于CPU對寄存器讀寫。SIN/SOUT、DTR/DSR、RTS/CTS：用于傳輸數據。 RI、RLSD：振鈴指示和載波檢測。 XTAL1、XTA L2：外部時鐘輸入輸出。RCL

18、K/BAUDOUT：接收/發送時鐘信號。OUT1、OUT2：用戶指定輸出端。INTRPT：中斷請求信號。MR：復位信號。4.4.1 8250的引腳信號 D0D7D0D7A0A2A0A2DOSTRDISTRIOWIORA3A4A9AENMRCS2RSOSCXTAL1OUT2INTR5VIRQ4SOUTSINDTRDSRRTSCTSRIRLSDRCLKBAUDOUT82504.4 可編程串行接口芯片-Ins8250DLAB A2 A1 A0 說 明 0 0 0 0 接收數據寄存器（讀） 0 0 0 0 發送保持寄存器（寫） 0 0 0 1 中斷允許寄存器 X 0 1 0 中斷識別寄存器（只讀） X

19、 0 1 1 通信線控制寄存器 x 1 0 0 MODEM控制寄存器 x 1 0 1 通信線狀態寄存器 x 1 1 0 MODEM狀態寄存器 x 1 1 1 未用 1 0 0 0 除數鎖存器（低位） 1 0 0 1 除數鎖存器（高位）接收緩沖寄存器RBR發送保持寄存器THR線路控制寄存器LCR線路狀態寄存器LSR除數鎖存寄存器DLRH/L中斷允許寄存器IER中斷識別寄存器IIRMODEM控制寄存器MCRMODEM狀態寄存器MSR4.2.2 8250的內部結構RBR接收移位LCRDLRH/LTHRMCRMSRIERIIR發送移位LSR波特率發生器接收同步控制發送同步控制MODEM控制邏輯控制邏輯

20、中斷4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250線路控制寄存器LCR4.4.3 8250的內部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250DLAB位：0-允許訪問接收緩沖器、發送保持器、中斷允許寄存器 1-允許訪問除數鎖存寄存器D0D1D2D3D4D5D6D7數據位數校驗方式間斷碼設置：0-不設置；1-設置XX0-無校驗；001-奇校驗；011-偶校驗；101-邏輯0；111-邏輯100-5位；01-6位；10-7位；11-8位線路狀態寄存器LSR4.4.3 8250的內部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins82501-發送移位寄存器空1-發送保持寄存器空D0D1D2D3D4D5D6D7

21、1-間斷指示1-字符格式錯1-奇偶錯1-數據重疊錯1-接收數據就緒中斷允許寄存器IER4.4.3 8250的內部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250D0D1D2D3D4D5D6D71-允許“MODEM改變狀態”中斷1-允許“接收線路出錯”中斷1-允許“發送保持寄存器空”中斷1-允許“接收數據就緒”中斷中斷識別寄存器IIR4.4.3 8250的內部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250D0D1D2D3D4D5D6D7中斷識別位有無中斷待處理0-有；1-無00-”MODEM改變狀態”中斷01-”發送保持寄存器空”中斷10-”接收數據就緒”中斷11-”接收線路出錯”中斷MODE

22、M控制寄存器MCR4.4.3 8250的內部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250D0D1D2D3D4D5D6D7OUT2OUT1RTSDTR自環MODEM狀態寄存器MSR4.4.3 8250的內部寄存器4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250振鈴指示（RI）數據設備準備好（DSR）D0D1D2D3D4D5D6D7允許發送（CTS）數據載波檢測（DDCD）振鈴指示（TERI）數據設備準備好（DDSR）允許發送（DCTS）數據載波檢測（DCD）3種連線方式TD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS S

23、GCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTSTD RD DTR DSR RTS SGCTS簡化連接 3線連接 4.4 可編程串行接口芯片-Ins82504.4.4 8250在IBM PC機中的應用完全連接 PC/XT中采用兩片Ins8250；PC/AT中采用兩片Ns16450；目前的PC機中是將其與其它的模塊集成在IDE卡或在主板上）。 D0D7D0D7A0A2A0A2DOSTRDISTRIOWIORA3A4A9AENMRCS2RSOSCXTAL1OUT2INTR5VIRQ4SOUTSINDTRDSRRTSCTSRIRLSDRCLKBAU

24、DOUT8250MC1488MC1488GND3F8H-3FFH4.4 可編程串行接口芯片-Ins82504.4.4 8250在PC機中的應用-硬件設計4.4.4 8250在PC機中的應用-軟件設計 發送程序SENDC：接收程序RECEC：初始化程序I8250:LCR7=1 DLRH/L=除數因子 LCR=ALIER=0 返回DTR、RTS=1 THR=AL CTS，DSR=1？THR=1？返回DTR、RTS=1 CTS，DSR=1？LSR0=1？AL=RBR返回YYNNNNYY4.4 可編程串行接口芯片-Ins8250第四章 串行通信及接口4.5 USB接口芯片CH3754.2 串行通信標準

25、習 題4.1 串行通信的基本概念4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.5 USB接口芯片CH3754.5.1 CH375內部結構4.5 USB接口芯片CH3754.5.2 CH375引腳4.5.3 CH375固化命令代碼4.5 USB接口芯片CH375常見命令：DISK-INIT：初始化USB USB存儲設備設備。DISK-READ ： 從USB存儲設備度數據塊。GET-STATUS： 獲取中斷狀態并取消請求。RD-USB-DATA：從當前USB中斷的斷點緩沖區讀取數據塊。SET-USB-MODE：設置USB工作模式。4.5 USB接口芯片CH3754.5.4 CH375接口電路設計4.5 USB接口芯片CH3754.5.5 CH375應用程序的設計第四章 串行通信及接口4.4 可編程串行接口芯片-Ins 8250A4.2 串行通信標準4.1 串行通信的基本概念4.5 USB接口芯片CH375習 題2008/06 計算機系統研究所第四章 串行通信及接口習 題4.1 串行通信的基本概念4.2 可編程串行接口芯片-Ins 8250A解釋下列名詞：MODEM PSK FSK ASK Baud RS-232-c DTE DCE USB。什么是異步傳輸？什么是同步傳輸？各有什么